Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zum Einsatzhärten additiv gefertigter Stahlbauteile

Durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren ist es möglich, sehr komplexe Bauteile und Geometrien in einem Fertigungsschritt herzustellen, was zu einer wirtschaftlichen Fertigung von funktionsintegrierten Leichtbauteilen führen kann. Allerdings unterscheiden sich die Gefüge und Eigenschaften additiv erzeugter Bauteile teilweise deutlich von denen konventioneller Werkstoffe. Nach der additiven Fertigung (hier LBM) liegen die Bauteile in einem Werkstoffzustand vor, der in vielen Fällen nicht anwendungsgerecht ist, was eine Wärmebehandlung notwendig macht. Da sinnvolle Parameter der Wärmebehandlung sich durch das Ausgangsgefüge ergeben, müssen die Parameter spezifisch auf das LBM Gefüge angepasst werden.

Das Einsatzhärten ist das am weitesten verbreitete Wärmebehandlungsverfahren zur Einstellung höchstfester Werkstoffzustände in Stahlbauteilen. Durch Aufkohlen der Bauteiloberflächen und anschließendes Härten ergeben sich höchstfeste Bauteilrandschichten. Die additive Fertigung von Stahlbauteilen beschränkt sich derzeit auf niedrig kohlenstoffhaltige Stähle, da bei höher kohlenstoffhaltigen Stählen die Gefahr der Rissbildung besteht. Das Einsatzhärten von LBM- Stahlbauteilen kombiniert die Vorteile beider Verfahren: hohe Gestaltungsfreiheit und Flexibilität der additiven Fertigung mit den guten Eigenschaften einsatzgehärteter Stähle. Das Einsatzhärten von LBM Bauteilen wird allerdings wegen bisher nicht voraussagbarem Werkstoffverhalten kaum genutzt.

Ziel des Projektes ist es daher, an zwei Einsatzstählen (20MnCr5 & 18CrNiMo7-6) die Auswirkung von LBM-Gefügen und Oberflächen im Vergleich zu konventionellem Material sowie angepasste Wärmebehandlungsvorschriften zu untersuchen. Damit wird die Reproduzier- und Determinierbarkeit der Eigenschaften von einsatzgehärteten LBM Werkstoffen gesteigert. Dies ist besonders für KMU relevant, da dadurch die Marktakzeptanz additiv gefertigter Produkte gesteigert wird.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Projekt wurden zwei Einsatzstähle, 20MnCr5 und 17CrNi6, bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit im PBF-LB/M-Prozess und dem daran angeschlossenen Einsatzhärten charakterisiert. Für beide Stähle wurde ein großes Parameterfenster erschlossen, in dem eine gute, prozessstabile Verarbeitung festzustellen ist. Diese Untersuchungen ermöglichen additiv fertigenden Unternehmen, Einsatzstähle dieser beiden Legierungssysteme ohne eigene vertiefte Werkstoffertüchtigung zu verarbeiten. Die Umwandlungskinetik des PBF-LB/M-Gefüges beim Erwärmen und Abkühlen beider Werkstoffe stimmt weitgehend mit den konventionellen Referenzwerkstoffen überein. Entsprechende ZTA- und ZTU-Diagramme wurden aufgenommen. Wesentliche Unterschiede konnten hinsichtlich der Korngrößenentwicklung festgestellt werden. Hier zeigt der additiv gefertigte Werkstoffzustand in der untersuchten chemischen Zusammensetzung Nachteile gegenüber einer konventionellen Fertigungskette. Das Einsatzhärten mit geringen Einsatzhärtetiefen bis 0,5 mm war sowohl mittels Gasaufkohlen als auch mittels Niederdruckaufkohlen erfolgreich. Korngrößenverteilungen im Randbereich, martensitische Gefüge, Restaustenit-Gehalte, Härte- sowie Kohlenstofftiefenverläufe waren unabhängig von Baurichtung und PBF-LB/M-Schutzgasatmosphäre, von guter Qualität. Insbesondere beim Aufkohlen im Niederdruck konnte eine erhöhte Kohlenstoffdiffusion infolge von Oberflächenrauheit im Vergleich zu einer spanend bearbeiteten Oberfläche beobachtet werden. Für höhere Einsatzhärtetiefen im Bereich 0,8 mm wurde das Thema unregelmäßiges Kornwachstum sowohl beim Niederdruck- als auch Gasaufkohlen als relevant identifiziert. Hier sind zusätzliche Forschungsarbeiten notwendig. Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen es dem Anwender Prozessgrenzen zu finden, innerhalb derer eine sichere Wärmebehandlung gewährleistet ist.